EP0006597A1

EP0006597A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Belüftung von Wasser

Info

Publication number: EP0006597A1
Application number: EP19790102079
Authority: EP
Inventors: Georg Uhlmann
Original assignee: Rheintechnik Weiland and Kaspar KG Maschinenfabrik
Current assignee: Rheintechnik Weiland and Kaspar KG Maschinenfabrik
Priority date: 1978-07-01
Filing date: 1979-06-23
Publication date: 1980-01-09
Also published as: JPS558899A; DE2829006A1; JPS5845915B2; US4267051A; EP0006597B1; DE2961543D1; ATE466T1

Abstract

Um die Belüftung des Wassers zu verbessern und die Belüftung mit der Reinigung durch einen biologischen Rasen zu kombinieren, wird vorgeschlagen, in einem Klärbecken (8) eine oder mehrere, um eine waagerechte Achse (1) umlaufende, kreisförmige Scheibe(n) (9) anzuordnen. Die an ihrem Umfang von der Eintrittsöffnung (2) zur Austrittsöffnung (3) sich ständig verjüngende, ringförmig gebogene Trichter (4) tragen, die zu einem Teil aus der Wasseroberfläche (5) hervorragen. Oberhalb der Wasseroberfläche tritt durch die Eintrittsöffnung Luft in den Trichter ein und unterhalb der Wasseroberfläche Wasser. Weil der Trichter sich ständig verjüngt, werden sowohl Wasser als auch Luft im Trichter beschleunigt und verdichtet. Durch die Verdichtung wird erreicht, dass die Menge Sauerstoff, die das Wasser lösen und aus der Luft aufnehmen kann, sich erheblich erhöht. Auf den Scheiben und auf der äußeren Oberfläche des Trichters bildet sich der biologische Rasen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Belüftung von Wasser und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Zur Belüftung von Wasser, z. B. um die Lebensbedingungen der im Wasser lebenden Pflanzen und Tiere zu verbessern, ist es bekannt unterhalb der Wasseroberfläche Lochrohre anzuordnen und durch diese Luft in das Wasser einzuführen. Die durch die Löcher in den Lochrohren austretende Luft perlt im Wasser hoch. Dabei nimmt das Wasser teilweise den Sauerstoff aus der Luft auf. Dieser Sauerstoff steht dann zusätzlich den Pflanzen und Tieren zur Verfügung. Diese Methode ist jedoch sehr aufwendig, weil Lochrohre in entsprechender Anzahl unterhalb der Wasseroberfläche verlegt werden müssen und Kompressoren erforderlich sind, die die Luft in die Rohre drücken, dabei müssen diese Kompressoren entsprechend dimensioniert werden, weil nur ein Teil des in der Luft enthaltenen Sauerstoffes vom Wasser aufgenommen wird, also entsprechende Mengen Luft in das Wasser eingeführt werden müssen. Zur Belüftung von Wasser ist es desweiteren bekannt, umlaufende Hohlkörper zu verwenden, die einen Teil ihres Weges oberhalb und einen Teil ihres Weges unterhalb der Wasseroberfläche zurücklegen, die nur in dem Teil ihrer Wandung der auf der Auftauchseite oben liegt, Durchbrechungen aufweisen und die mit festen Stoffen gefüllt sind, die eine große luft- und wasserzugängliche Oberfläche besitzen. Auf der Auftauchseite schleppen diese Hohlkörper Wasser mit über die Wasseroberfläche, welches beim Weg der Hohlkörper oberhalb der Wasseroberfläche langsam in die Wasseroberfläche zurückrinnt. Auf der Eintauchseite liegt der die Durchbrechungen aufweisende Teil der Wandung der Hohlkörper unten. Auf der Eintauchseite schleppen die Hohlkörper also Luft mit unter die Wasseroberfläche, die beim Weg der Hohlkörper unterhalb der Wasseroberfläche langsam aus den Hohlkörpern perlt und im Wasser aufsteigt. Der in der hochperlenden Luft enthaltene Sauerstoff wird teilweise vom Wasser aufgenommen und setzt die im Wasser enthaltenen Schadstoffe in unschädliche Stoffe um, soweit dies durch den Luftsauerstoff möglich ist. Auch eine solche Vorrichtung ist sehr aufwendig, weil Hohlkörper derart gestaltet sein müssen, daß sie auf der Auftauchseite Wasser mit über die Wasseroberfläche schleppen können und auf der Eintauchseit Luft mit unter die Wasseroberfläche. Auch muß die Anzahl der Hohlkörper entsprechend groß sein, weil der Luftsauerstoff nur teilweise vom Wasser aufgenommen wird, also eine entsprechend große Menge an Luft unter die Wasseroberfläche geschleppt werden muß.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches es ermöglicht, ohne gleichzeitige Erhöhung der Menge an Luft, die in das Wasser eingetragen wird, die Menge an Sauerstoff zu erhöhen, die vom Wasser gelöst wird.
Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß Wasser und Luft durch einen, Wasser und Luft abwechselnd aufnehmenden von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung sich ständig verjüngenden Durchgang gedrückt werden und die Luft unterhalb der Wasseroberfläche und das Wasser zumindest teilweise oberhalb der Wasseroberfläche durch die Austrittsöffnung den Durchgang verlassen.
In dem sich von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung ständig verjüngenden Durchgang werden sowohl das Wasser als auch die Luft beschleunigt und verdichtet. Durch die Verdichtung wird erreicht, daß die Menge an Sauersoff, die das Wasser lösen und aus der Luft aufnehmen kann, sich erheblich erhöht. Weil die Luft unterhalb der Wasseroberfläche den Durchgang verläßt und das Wasser zumindest teilweise oberhalb der Wasseroberfläche wird darüberhinaus eine gute Durchmischung des Wassers erreicht. Weil die Luft den Durchgang durch die Austrittsöffnung erst unterhalb der Wasseroberfläche verläßt und dann im Wasser aufsteigt und das Wasser zumindest teilweise erst oberhalb der Wasseroberfläche aus der Austrittsöffnung des Durchganges ausfließt, kann das Wasser zusätzlich Sauerstoff aus der Luft aufnehmen.
Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich insbesondere eine Vorrichtung, die aus einem, um eine waagerechte Achse umlaufenden, von der Eintrittsöffnung zur Auftritts- öffnung sich ständig verjüngenden, ringförmig gebogenen Trichter besteht, der zu einem Teil seiner Höhe aus der Wasseroberfläche hervorragt.
Der Trichter läuft mit seiner Eintrittsöffnung nach vorne gerichtet um. Befindet sich die Eintrittsöffnung unterhalb der Wasseroberfläche, tritt das Wasser in diese ein und wird, weil der Trichter sich bis zur Austrittsöffnung ständig verjüngt, also die gleiche Wassermenge durch einen immer enger werdenden Querschnitt strömen muß, erheblich beschleunigt und dabei komprimiert. Durch die Beschleunigung wird erreicht, daß das Wasser zumindest teilweise aus der Austrittsöffnung austritt, wenn diese beim Umlauf des Trichters sich oberhalb der Wasseroberfläche befindet. Das aus der Austrittsöffnung austretende, beschleunigte und komprimierte Wasser fällt in die Wasseroberfläche zurück, nimmt bei seinem Weg oberhalb der Wasseroberfläche Sauerstoff aus der Luft aus und reißt Luft mit unter die Wasseroberfläche aus der das Wasser dann Sauerstoff aufnehmen kann. Erreicht die Eintrittsöffnung des umlaufenden Trichters auf der gegenüberliegenden Seite die Oberfläche des Wassers tritt Luft in den Trichter ein. Bei dem Weg der Eintrittsöffnung des Trichters von der Seite an der sie aus dem Wasser eintritt zu der Seite an der sie in das Wasser eintritt, füllt sich der oberhalb der Wasseroberfläche liegende Teil des Trichters mit Luft. Nach dem Eintreten der Eintrittsöffnung in die Wasseroberfläche fließt wieder Wasser in den Trichter, welche im Trichter wegen des sich ständig verjüngenden Querschnittes beschleunigt und verdichtet wird und dabei gleichzeitig die im Trichter enthaltene Luft verdichtet und in Richtung der Austrittsöffnung beschleunigt und schiebt. So wird erreicht, daß die Luft nicht erst dann durch die Austrittsöffnung des Trichters austritt, wenn diese sich oberhalb der Wasseroberfläche befindet, sondern bereits weit unterhalb der Wasseroberfläche und dann im Wasser aufsteigt. Durch die Verdichtung der Luft und des Wassers im Trichter wird die Menge des Luftsauerstoffes, die vom Wasser aufgenommen werden kann erheblich erhöht. Eine weitere Erhöhung der Menge des vom Wasser aufgenommenen Luftsauerstoffes wird dadurch erreicht daß aufgrund der Beschleunigung der Luft und des Wassers im Trichter, die Luft bereits weit unterhalb der Wasseroberfläche den Trichter verläßt und im Wasser aufsteigt, also Sauerstoff an das Wasser abgeben kann.
Der äußere Umfang des Trichters ist zweckmäßig kreisförmig und der innere Umfang spiralförmig gestaltet. Austrittsöffnung und Eintrittsöffnung des Trichters liegen dabei vorteilhaft in geringem Abstand voneinander. Die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung soll dabei erheblich geringer sein, als die Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung und zweckmäßig nicht mehr als ein Zehntel betragen, um im Trichter eine ausreichend hohe Beschleunigung und Verdichtung des Wassers und der Luft zu erreichen. Der ringförmig gebogene Trichter ragt dabei zweckmäßig zur Hälfte bis zu einem Drittel seiner Höhe aus der Wasseroberfläche hervor. Verjüngung des Trichters vom Austrittsende bis zum Eintrittsende soll stetig erfolgen. Die Umlaufgeschwindigkeit des Trichters sollte regelbar sein, um sie den jeweiligen Gegebenheiten anpassen zu können.
In Wässern, insbesondere Abwässern enthaltene Schadstoffe, können vielfach nur durch den Sauerstoff der Luft nicht in unschädliche Stoffe umgesetzt werden. Bei diesen Schadstoffen, die nicht durch Luftsauerstoff umgesetzt werden können, handelt es sich im allgemeinen um Stickstoffverbindungen. Zur Umsetzung solcher Schadstoffe ist es bekannt, Abwässer mit Migroorganismen, z. B. in Form von Belebtschlamm oder eines biologischen Rasens zu behandeln. Diese Migroorganismen wandeln die stickstoffhaltigen Schadstoffe in Nitrite und Nitrate um, die, zumindest bei geringen Konzentrationen für das tierische und pflanzliche Leben im Wasser unschädlich sind. Dabei ist es bekannt, um eine waagerechte Achse umlaufende Scheiben zu verwenden, die zu einem Teil ihres Durchmessers, z. B. zur Hälfte, aus der Wasseroberfläche vorstehen und auf denen sich, auch ohne daß das Wasser geimpft wurde, in relativ kurzer Zeit ein biologischer Rasen bildet, der aus Migroorganismen besteht, die die im Wasser enthaltenen schädlichen Stickstoffverbindungen in Nitrite und Nitrate umwandeln.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Klärung von Wässern, insbesondere Abwässern durch Belüfung und biologischen Rasen zu kombinieren.
Diese Aufgabe wird im wesentlichen gelöst, durch eine angetriebene um eine waagerechte Achse umlaufende, zweckmäßig kreisförmige Scheibe, die an ihrem Umfang den Trichter trägt.
Auf der umlaufenden Scheibe bildet sich nach relativ kurzer Zeit der biologische Rasen, der aus Migroorganismen besteht, die die im Wasser enthaltenen, insbesondere stickstoffhaltigen Schadstoffe umsetzen.
Zur Klärung von Abwässern werden dabei mehrere, an ihrem Umfang Trichter tragende Scheiben in geringem Abstand voneinander, vorteilhaft hintereinander und zweckmäßig achsial zueinander in einem Becken angeordnet. Die Eintrittsöffnungen und auch die Austrittsöffnungen sollen von Scheibe zu Scheibe gegeneinander versetzt sein, zweckmäßig um 45°C. Das Becken soll dabei vorzugsweise derart gestaltet sein, daß die aus den einzelnen Scheiben gebildete Walze unterhalb der Wasseroberfläche möglichst dicht bis an die Wandung des Beckens reicht. Zwischen den Scheiben muß ein ausreichender Abstand verbleiben, um sicherzustellen,daß auch zwischen den Scheiben das Wasser bis zur Oberfläche steht, sich auf den Scheiben ein biologischer Rasen bildet und auch zwischen den Scheiben eine ausreichende Durchmischung des Wassers erfolgt, um eine intensive Berührung zwischen dem biologischem Rasen auf den Scheiben und dem Wasser zu erreichen.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung, der Figuren und in den Unteransprüchen dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen erfindungswesentlich sind.
In den Figuren 1 bis 4 ist die Erfindung an Ausführungsformen beispielsweise dargestellt, ohne auf diese Ausführungsformen beschränkt zu sein.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf eine an ihrem Umfang einen Trichter tragenden Scheibe,
Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch eine Scheibe nach der Linie A-A in Fig. 1, bei der der Trichter durch eine Platte verschlossen ist,
Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch einen Scheibenkörper aus zwei gegensinnig gestalteten Scheiben und
Fig. 4 einen senkrechten Schnitt durch ein Belüftungsbecken.

In den Kopfwänden des Belüftungsbeckens 8 ist unterhalb der Wasseroberfläche 5 die Achse 1 gelagert. Angetrieben wird die Aches vom Antrieb 12, der außerhalb des Beckens 8 auf einer Konsole 13 angeordnet und in an sich bekannter Weise mit der Achse 1 verbunden ist. Im Becken 8 sind auf der Achse 1 in geringem Abstand voneinander die Scheiben 9 angeordnet. Der Querschnitt der Achse 1 innerhalb des Beckens 8 ist zweckmäßig mehreckig, insbesondere quadratisch. So wird auf einfachem Wege erreicht, daß die Scheiben 9 sich nicht auf der Achse 1 drehen können. Die Scheiben 9 sind zweckmäßig kreisrund. Am äußeren Umfang weisen alle Scheiben 9 gleichgerichtete Auswölbungen 10 auf. Auf den der Auswölbung 10 abgekehrten Seiten der Scheiben 9 sind diese Auswölbungen 10 mittels der Platte 11 verschlossen. Auch die Platten 11 sind zweckmäßig kreisförmig gestaltet. Die durch die Auswölbungen 10und die Platten 11 gebildeten Hohlräume sind trichterförmig ausgebildet. In Fig. 1 ist die Umlaufrichtung mit dem Pfeil 14 angedeutet. Von der Eintrittsöffnung 2 des durch den Hohlraum gebildeten
Trichters 4 zur Austrittsöffnung 3 nimmt die Querschnittsfläche des Trichters 4 stetig ab. Dabei soll die Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung 2 erheblich größer sein als die Querschnittsöffnung der Austrittsöffnung 3. Vorteilhaft ist es, wenn die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung 3 nicht mehr als ein Zehntel der Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung 2 beträgt. Der äußere Umfang 6 des Trichters 4 ist zweckmäßig kreisrund, während der innere Umfang 7 vorteilhaft spiralförmig ausgebildet ist. Die Eintrittsöffnung 2 und die Austrittsöffnung 3 liegen in geringem Abstand voneinander. Die Scheiben 9 sollen etwa zur Hälfte bis zu einem Drittel aus der Wasseroberfläche 5 hervorragen. Hergestellt werden die Scheiben 9 aus einem formbaren Material wie Metall oder insbesondere Kunststoff. Die Platten 11 können aus dem gleichen Material bestehen. An der Achse 1 weisen die Scheiben 9 kurze Stutzen 15 auf, die an der Achse 1 liegen und dem Zwecke dienen, ein Kippen der Scheiben 9 zu vermeiden. Die Länge dieser Stutzen 15 entspricht in etwa der Höhe der Auswölbungen 10. Außerhalb des Trichters 4 weisen die Scheiben 9 noch einen Kranz 16 auf. Zwischen zwei Scheiben 19 sind zwischen den beiden Kränzen 16 Distanzmuffen17 angeordnet, um den erforderlichen Abstand der Scheiben 9 voneinander, insbesondere im Bereich der Trichter 4 sicher- züstellen.:_Durch die Kränze 16 und die Muffen 17 sind Langbolzen 18 geführt, mit denen das aus den einzelnen Scheiben 9 bestehende Pa-ket zusammengehalten wird. Auf die Enden der Langbolzen 18 sind die Muttern 19 geschraubt. Die Eintrittsöffnungen 2 und damit die Austrittsöffnungen 3 der Trichter 4 an den Scheiben 9 sind vorteilhaft von Scheibe 9 zu Scheibe 9 gegeneinander versetzt, vorzugsweise um etwa 45°C. Die Scheiben 9 laufen in Richtung des Pfeiles 14 um. Tritt die Eintrittsöffnung 2 in die Wasseroberfläche 5 ein, dringt das Wasser in den Trichter 4 ein. Wegen des sich stetig verjüngenden Querschnittes des Trichters 4 wird das Wasser im Trichter 4 beschleunigt und verdichtet. Dadurch wird erreicht, daß das Wasser nicht nur unterhalb der Wasseroberfläche 5 aus der Austrittsöffnung 3 des Trichters 4 austritt, sondern zumindest teilweise erst dann wenn die Austrittsöffnung 3 des Trichters 4 oberhalb der Wasseroberfläche 5 sich befindet. Erreicht die Eintrittsöffnung 2 des Trichters 4, bei seinem Umlauf auf der dem Eintritt gegenüberliegenden Seite der Achse 1, die Wasseroberfläche, dringt Luft in den Trichter 4 ein u. zwar so lange bis die Eintrittsöffnung 2 des Trichters 4 wieder in die Wasseroberfläche eintaucht. Ist die Eintrittsöffnung 2 des Trichters 4 wieder in die Wasseroberfläche 5 eingetaucht, wird durch das nunmehr eindringende Wasser die Luft verdichtet und in Richtung auf die Austrittsöffnung 3 beschleunigt. Durch die Verdichtung wird erreicht, daß das Wasser in erheblich höherem Umfange Sauerstoff aus der Luft aufnimmt, als dann wenn die Luft nicht verdichtet wird. Durch die Beschleunigung der Luft im Trichter 4 wird sichergestellt, daß die Luft die Austrittsöffnung 3 nicht erst dann verläßt, wenn die Austrittsöffnung 3 sich oberhalb der Wasseroberfläche 5 befindet, sondern bereits dann, wenn die Austrittsöffnung 3 noch unterhalb der Wasseroberfläche 5 liegt. Die Unterhalb der Wasseroberfläche 5 aus der Austrittsöffnung 3 des Trichters 4 austretende Luft, steigt dann im Wasser auf, wobei das Wasser Sauerstoff aus der Luft aufnehmen kann. Selbstverständlich nimmt auch das Wasser, welches beim Weg der Austrittsöffnung 3 oberhalb der Wasseroberfläche 5 aus der Austrittsöffnung 3 austritt Sauerstoff aus der Luft auf und reißt beim Einfallen in die Wasseroberfläche 5 noch Luft mit unter die Wasseroberfläche 5. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind zwei gegensinnig gestaltetescheiben 9 und 9a mit Auswölbungen 10 und 10a, die gemeinsam den Trichter 4 bilden, zu einem Scheibenkörper zusammengefügt.
Um zu vermeiden, daß sich an den Distanzmuffen 17 im Wasser enthaltene Schweb- und Sinkstoffe festsetzen ist es vorteilhaft die Stutzen 15 derart zu gestalten, daß der Abstand zwischen der Auswölbung 10 und der Platte 11 zweier benachbarter Scheiben9ausreichend groß ist, auf die Distanzmuffen 17 zu verzichten und die Langbolzen 18 in unmittelbare Nähe der Achse 1 bzw. der Stutzen 15 durch die Scheiben 9 zu führen.

Claims

1. Verfahren zur Belüftung von Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser und Luft durch einen, Wasser und Luft abwechselnd aufnehmenden, von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung sich ständig verjüngenden Durchgang gedrückt werden und die Luft unterhalb der Wasseroberfläche und das Wasser zumindest teilweise oberhalb der Wasseroberfläche durch die Austrittsöffnung den Durchgang verlassen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen, um eine waagerichte Achse (1) umlaufenden, von der Eintrittsöffnung (2) zur Austrittsöffnung (3) sich ständig verjüngenden, ringförmig gebogenen Trichter (4), der zu einem Teil aus der Wasseroberfläche (5) ragt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Umfang (6) des Trichters (4) kreisförmig und der innere Umfang (7) spiralförmig gestaltet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (3) und die Eintrittsöffnung (2) des Trichters (4) in geringem Abstand voreinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmig gebogene Trichter (4) zu etwa der Hälfte bis zu einem Drittel seiner Höhe oberhalb der Wasseroberfläche (5) liegt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung (3) erheblich geringer ist, als die Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung (2), zweckmäßig nicht mehr als ein Zehntel beträgt.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Klärung von unreinem Wasser, insbesondere Abwasser, gekennzeichnet durch eine angetriebene, in einem Becken (8) um eine waagerechte Achse (1) umlaufende, kreisförmige Scheibe (9), die an ihrem Umfang den Trichter (4) trägt.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Scheibe (9) aus formbarem Material, wie Metall oder insbesondere Kunststoff besteht und zur Bildung des Trichters (4) am Umfang eine sich vom Eintrittsende (2) zum Austrittsende (3) ständig verjüngende, zu einer Seite gerichtete Auswölbung (10) aufweist, die auf der anderen Seite mit einer Platte (11) verschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch zwei kreisförmige Scheiben (9,9a) aus formbarem Material, wie Metall oder insbesondere Kunststoff, die zur Bildung des Trichters (4) am Umfang sich vom Eintrittsende (2) zum Austrittsende (3) ständig verjüngende, gegensinnig gerichtete Auswölbungen (10,10a) aufweisen und die mit der den Auswölbungen (10,10a) abgekehrten Fläche miteinander verbunden sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, an ihrem Umfangtrichter (4) tragende Scheibe (9) hintereinander in geringem Abstand voneinander und axial zueinander im Becken (8) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- und Austrittsöffnungen, (2,3) von Scheibe (9) zu Scheibe (9) gegeneinander versetzt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- und Austrittsöffnungen (2,3) von Scheibe (9) zu Scheibe (9) um 45°C gegeneinander versetzt sind.